Особенности психофизиологического состояния детей и подростков в зависимости от продолжительности использования различных электронных средств обучения

Введение

Инновационная трансформация системы общего образования привела к активному взаимодействию учащихся с различными электронными средствами обучения (ЭСО) и определила для современных школьников различных возрастных групп новые риски для здоровья [1–6]. В литературе отсутствуют систематизированные данные о суммарном времени использования ЭСО. По данным Скоблиной Н.А. и соавт. [7], Маркеловой С.В. и соавт. [8], в образовательной деятельности учащиеся используют ЭСО до 7 ч в день, тогда как, согласно исследованиям Богомоловой Е.С. и соавт. [9], суммарное время работы учащихся с девайсами составляет не более 6 ч, хотя и эти показатели превышают гигиенический норматив и определяют риск для здоровья [10, 11]. Имеются данные о том, что факторы, связанные с продолжительным использованием цифровых устройств, тесно связаны с отклонениями в функционировании органов и систем [12]. Так, доказаны увеличение электроэнцефалической активности головного мозга за счёт выраженного утомления в коре больших полушарий [13, 14], снижение памяти, внимания [15], остроты зрения, нарушение аккомодации, развитие психоэмоционального перенапряжения [16–20].

Представленные данные о развитии интернет-зависимости у учащихся разрозненны, получены с использованием различных методик, что не позволяет провести адекватное сравнение и получить целостное представление о механизме формирования данного феномена.

Вместе с тем, несмотря на пристальное внимание к проблеме влияния ЭСО на здоровье учащихся, отсутствует достаточная доказательная база, подтверждающая влияние ЭСО на функционирование основных систем, задействованных в учебном процессе. Не установлены особенности формирования биологической и психологической адаптации у учащихся в зависимости от ступеней общего образования и экспозиции действия ЭСО. Отсутствуют данные о стрессогенности цифровых образовательных технологий и их значении в развитии феномена интернет-зависимости. Увеличение объёма использования электронных образовательных технологий и интенсификация информационной нагрузки обусловливают необходимость оценки психологического статуса, функционального состояния основных систем организма учащихся при работе с информационно-коммуникационными технологиями, требуют научного обоснования персонифицированных профилактических мероприятий для предотвращения школьной дезадаптации и риска развития болезней. Это определяет актуальность и научную новизну проведённых исследований.

Цель исследования – оценить психофизиологические особенности состояния организма учащихся в зависимости от времени использования электронных средств обучения для осуществления оптимальных биологических и социальных функций.

Материалы и методы

Проведён комплекс психофизиологических и статистических исследований с участием 862 учащихся на базе двух образовательных организаций инновационного типа Оренбурга (лицей № 5 и гимназия № 4), обучение в которых организовано по авторским учебным программам. Уроки характеризуются высокой плотностью, а в учебной деятельности учащихся начального, среднего и старшего звена обучения предусмотрена различная длительность использования электронных средств обучения. Исследование организовано с соблюдением принципов Хельсинкской декларации Всемирной медицинской ассоциации (2013 г.) при наличии письменного добровольного информированного согласия родителей (законных представителей) на проведение обследования [21].

Критерии включения: наличие письменного добровольного информированного согласия родителей (законных представителей) на проведение обследования, принадлежность участников к I–III группам здоровья.

Критерии исключения: отказ от участия в обследовании, обострение хронических и наличие острых болезней у учащихся на момент обследования.

Все учащиеся, включённые в исследование, разделены на три группы в зависимости от возраста и ступени образования: 1-я группа – 344 учащихся начального звена (158 мальчиков и 186 девочек, возраст 7–10 лет, средний возраст 8,96 ± 0,07 года), 2-я группа – 365 учащихся среднего звена (190 мальчиков и 175 девочек, 11–14 лет, средний возраст 13,52 ± 0,07 года), 3-я группа – 153 учащихся старшего звена (73 юноши и 80 девушек, возраст 15–17 лет, средний возраст 16,83 ± 0,1 года). Отбор участников проведён методом случайной выборки в соответствии с критериями включения и исключения. Расчёт минимального числа обследуемых проведён по формуле Д.А. Сапетлиева под редакцией А.М. Меркова [22]. Число участников в каждой из исследуемых групп превышает минимальное (n = 100), что обеспечивает достаточность выборки и даёт возможность дальнейшей статистической обработки.

Оценка времени использования электронных средств обучения в учебной деятельности проведена хронометражным методом на 37 уроках с расчётом среднего показателя, во внеучебной деятельности – анкетным методом с помощью анализа 860 анкет.

Функциональное состояние центральной нервной системы (ЦНС) исследовано методом вариационной хронорефлексометрии на аппаратно-программном комплексе «Экспресс-диагностика функционального состояния и работоспособности человека» по методике М.П. Мороз [23]. На основе регистрации латентных периодов простой зрительно-моторной реакции и их последующего статистического анализа программой производился автоматический расчёт показателей функционального уровня ЦНС (ФУС), устойчивости нервной реакции (УР) и уровня функциональных возможностей сформированной функциональной системы (УФВ). Оценка функционального состояния сердечно-сосудистой системы выполнена с помощью аппаратно-программного комплекса «Здоровье-Экспресс» (ООО «Медицинские компьютерные системы» (МКС), Россия) с автоматической оценкой адаптационных резервов организма.

Оценка стресса проведена с помощью опросника «Шкала психологического стресса PSM-25» в модификации Водопьяновой Н.Е. [24]. Определение тревожности и негативных эмоциональных переживаний выполнено по опроснику Ч.Д. Спилбергера (STPI – State Trait Personal Inventory) в модификации А.Д. Андреевой [25]. Вероятность и уровень выраженности развития интернет-зависимости определены опросным методом по шкале Жичкиной А.Е. [26].

Результаты исследования обработаны с использованием программного обеспечения StatTech v. 3.1.8 (ООО «Статтех», Россия). Применение параметрических методов было оправдано нормальным распределением количественных показателей согласно критерию Колмогорова – Смирнова. Сравнение исследуемых групп по количественным данным осуществлялось с помощью t-критерия Стьюдента для независимых выборок; категориальных данных – с использованием критерия хи-квадрат Пирсона (χ²). Статистическая значимость различий между группами устанавливалась при p ≤ 0,05.

Результаты

Установлено, что доля суммарного времени работы с ЭСО от общего времени учебной нагрузки в неделю была наибольшей у учащихся старшего звена (3-я группа) и составляла 54,1% (более 50% учебного времени во все дни недели); у учащихся среднего (2-я группа) и начального звена (1-я группа) – 30,6 и 28,1% соответственно (рис. 1). Наибольший процент времени работы с ЭСО от общей учебной нагрузки в суточном диапазоне выявлен у учащихся начальной школы (1-я группа) в понедельник (36,4%) и четверг (27,7%) – 70,7 ± 2 и 51,4 ± 2,23 мин соответственно; у учащихся 2-й группы – в понедельник (35,5% – 86,7 ± 3,96 мин); у учащихся 3-й группы – в пятницу (56,6% – 141,4 ± 15,62 мин) и во вторник (56,5% – 146,9 ± 19,8 мин). Такие показатели не соответствовали физиологическим нормам распределения работоспособности в течение учебной недели.

Среднее время использования ЭСО на уроке учащимися начального звена (1-я группа) составило 14,3 ± 1,8 мин; учащимися среднего звена (2-я группа) – 15,9 ± 1,4 мин, учащимися старшего звена (3-я группа) – 24,4 ± 2,1 мин с максимальной продолжительностью использования ЭСО учащимися 1-й и 2-й групп на уроке «Разговоры о важном» (31,9 ± 0,94 и 32,2 ± 0,56 мин соответственно); учащимися 3-й группы на уроке «Информатика и информационно-коммуникационные технологии» – 38 ± 2,37 мин (рис. 2).

Во внеучебной деятельности суточная продолжительность использования ЭСО составляла у учащихся 1-й группы 4,4 ± 0,16 ч; у учащихся 2-й группы – 6,2 ± 0,21 ч и у учащихся 3-й группы – 9,3 ± 0,64 ч (табл. 1). При этом во внеучебное время структура времени работы с различными электронными средствами у учащихся обследованных групп была разной в течение суток. Так, учащиеся начальной школы (1-я группа) больше всего работали с мобильными телефонами (80,6 ± 6,07 мин), планшетами (71,9 ± 14,53 мин) и компьютерами (64,3 ± 9,74 мин), в то время как учащиеся среднего звена обучения (2-я группа) – с мобильными телефонами (107,3 ± 7,76 мин), ноутбуками (97,1 ± 12,27 мин), планшетами (84,5 ± 17,69 мин), а учащиеся старшего звена обучения (3-я группа) больше времени использовали в работе планшеты (198,7 ± 33,36 мин), мобильные телефоны (178,2 ± 15,77 мин), ноутбуки (93,3 ± 15,01 мин).

Установлено, что в течение суток общее время, которое учащиеся тратят на работу с различными ЭСО, составляет у учащихся начальной школы (1-я группа) в среднем 5,27 ± 2,4 ч, у учащихся среднего звена обучения (2-я группа) – 7,41 ± 2,1 ч, у старшеклассников (3-я группа) – 11,5 ± 3,8 ч. Это в определённой степени определяет разницу в ответной реакции основных систем организма учащихся обследуемых групп при работе с ЭСО.

Анализ данных, представленных в табл. 2, показал, что наиболее неустойчивая нервная реакция при работе с электронными средствами наблюдается у учащихся начальной школы (1-я группа) – как у мальчиков, так и у девочек (0,85 ± 0,06 и 0,85 ± 0,05 ед. соответственно). Тенденция формирования устойчивой нервной реакции у старшеклассников (3-я группа) и рост показателей УР по сравнению с данными учащихся 1-й обследуемой группы мальчиков на 58,8% (с 0,85 ± 0,06 до 1,35 ± 0,08 ед.; р ≤ 0,05) и у девочек на 44,7% (с 0,85 до 1,23 ± 0,09 ед.; р ≤ 0,05) за счёт увеличения ФУС у мальчиков на 18,1% и у девочек на 16,6%, а также УФВ соответственно у мальчиков на 37,7% и у девочек на 30,3% свидетельствует о способности центральной нервной системы у учащихся старшего звена (3-я группа) формировать адаптационную функциональную систему при работе с электронными средствами обучения.

Математический анализ сердечного ритма учащихся обследуемых групп, представленный в табл. 3, показал изменение типа регуляции при работе с ЭСО. Выявлено, что для учащихся начальной школы (1-я группа) характерно преобладание симпатического типа регуляции за счёт высокой мощности низкочастотных волн в диапазоне 0,15–0,04 Гц, уровень которых составлял 1319,3 ± 184,64 мс², высокой мощности очень низкочастотной составляющей спектра (VLF) – 659,99 ± 147,17 мс², а также преобладание высокого значения стресс-индекса (СИ), который превышал 100 усл. ед. и составлял 155,47 ± 14,26 ед. У учащихся 2-й и 3-й обследуемых групп установлен тип регуляции сердечного ритма с умеренным преобладанием симпатической и центральной регуляции в условиях снижения активности автономного контура за счёт высоких показателей СИ, которые у учащихся 2-й группы составляли 128,96 ± 8,05 ед., а у учащихся 3-й группы – 137,1 ± 13,08 ед., что свидетельствует об умеренном напряжении регуляторных систем организма.

Выявлены гендерные различия вегетативной регуляции у учащихся среднего (2-я группа) и старшего (3-я группа) звеньев обучения, характеризующиеся преобладанием симпатического отдела вегетативной регуляции у девочек и девушек по сравнению с мальчиками и юношами 2-й и 3-й обследуемых групп (табл. 4). Так, у девочек среднего звена обучения (2-я группа) выявлено выраженное преобладание симпатической регуляции, о чём свидетельствует увеличение по сравнению с мальчиками индекса вегетативного равновесия на 27,9% (229,66 ± 15,52 ед. у девочек и 179,52 ± 9,18 ед. у мальчиков; р ≤ 0,05); вегетативного показателя ритма сердца на 14,6% (7,17 ± 0,33 ед. у девочек и 6,12 ± 0,22 ед. у мальчиков; р ≤ 0,05) и индекса напряжения регуляторных систем на 24,8% (171,68 ± 13,85 ед. у девочек и 129,06 ± 8,03 ед. у мальчиков; р ≤ 0,05).

У девушек 3-й группы рассогласованность между симпатическим и парасимпатическим отделами вегетативной нервной системы сохранялась с преобладанием симпатической регуляции, что также подтверждается увеличением у девушек по сравнению с юношами индекса вегетативного равновесия на 12,57% (196,01 ± 12,27 ед. у девушек и 174,11 ± 16,12 ед. у юношей; р > 0,05), вегетативного показателя ритма сердца на 16,6% (6,52 ± 0,32 ед. у девушек и 5,59 ± 0,34 ед. у юношей; р ≤ 0,05) и индекса напряжения регуляторных систем на 15,5% (138,08 ± 9,71 ед. у девушек и 119,57 ± 12,67 ед. у юношей; р ≤ 0,05).

Установлено, что нарушение типа регуляции у учащихся в условиях длительной работы с различными электронными средствами приводит к функциональному напряжению и снижению функциональных резервов. Так, перенапряжение регуляторных механизмов выявлено у 45% учащихся 1-й группы, 40% учащихся 2-й группы и 35,5% учащихся 3-й группы, а истощение функциональных резервов – у 13,1; 12 и 9,7% учащихся соответственно (рис. 3). При этом в 1-й и 2-й группах наибольшее истощение функциональных резервов выявлено у девочек (15,2% против 10,5% у мальчиков и 13,4% против 10,7% соответственно), в то время как в 3-й группе – у 21,4% юношей и лишь у 1,2% девушек были определены низкие функциональные резервы.

Уровень стресса, испытываемого учащимися при длительной работе с электронными средствами, был наибольшим у старшеклассников (3-я группа исследования) при длительности работы с электронными средствами более 11 ч в сутки (у девушек – 86,46 ± 3,34 балла, у юношей – 68,43 ± 3,76 балла; р ≤ 0,05), а также у учащихся 2-й группы, использующих различные электронные устройства, – 7,41 ч в сутки (83 ± 2,99 балла у девочек и 61,73 ± 2,42 балла у мальчиков; р ≤ 0,05).

В условиях длительного воздействия различных электронных средств установлено, что с увеличением времени использования у учащихся нарастает уровень тревожности и негативных эмоциональных переживаний как в учебной, так и в повседневной деятельности. Так, анализ данных, представленных в табл. 5, показал, что с увеличением времени работы с электронными средствами у учащихся 3-й группы по сравнению с данными учащихся 1-й группы на 76% повышалась тревожность в повседневной жизни и на 57,7% – в учебной деятельности, а уровень негативных эмоциональных переживаний – на 73,1 и 96,5% соответственно при познавательной активности примерно одного уровня.

Важно акцентировать внимание на научном подтверждении развития интернет-зависимости при длительном использовании ЭСО. Показано, что наибольший процент учащихся с интернет-зависимостью был в 3-й группе (2,7%); учащихся, склонных к интернет-зависимости, – также в 3-й группе (22,7%) и в 1-й группе (23,3%) (рис. 4). При этом выявлены гендерные особенности формирования интернет-зависимости: большая склонность к её развитию у мальчиков по сравнению с девочками в начальном звене (3,2 и 0,9% соответственно) и в среднем звене (2,4 и 0,8% соответственно).

Обсуждение

Активное внедрение информационно-коммуникационных технологий происходит посредством взаимодействия учащихся с электронными средствами обучения [1–4], среднее время использования которых, по данным различных авторов, может составлять от 5 до 7 ч в сутки [5–7]. Полученные данные дополнили существующие публикации и конкретизировали среднее время работы с электронными средствами в течение суток: учащиеся начальной школы затрачивают 5,27 ч; учащиеся среднего звена обучения – 7,41 ч, старшеклассники – 11,5 ч. Также установлено, что время работы с электронными средствами обучения в учебной деятельности было наибольшим у учащихся старшего звена (54,1% от общего времени учебной нагрузки), тогда как у учащихся начального и среднего звеньев – 28,1 и 30,6% соответственно. Подтверждено, что центральная нервная система и вегетативная нервная система являются органами-мишенями при работе с электронными средствами, обеспечивая разную ответную реакцию организма в зависимости от времени работы с ЭСО: развитие неустойчивости нервной реакции; изменение типа регуляции сердечного ритма с преобладанием симпатической и центральной регуляции при снижении активности автономного контура; напряжение работы регуляторных систем и истощение функциональных резервов.

Наибольший стресс выявлен у старшеклассников, которые более 11,5 ч в сутки работают с электронными средствами, что приводит к повышению уровня тревожности (по сравнению с данными младших школьников – на 76% в повседневной и на 57,7% в учебной деятельности), негативных эмоциональных переживаний (на 73,1 и 96,5% соответственно), а также обусловливает развитие интернет-зависимости. По ряду показателей полученные результаты согласуются с данными Семеновой Н.Б. и соавт., Куприянчук Е.В. и соавт., Болдыревой М.Г. и соавт., Волковой Е.Н. и соавт. [27–30].

Результаты проведённого исследования подтвердили изменения на донозологическом уровне показателей физического и психического здоровья учащихся начальных, средних и старших классов, работающих с электронными средствами. Полученные данные расширяют знания в области гигиены и определяют механизмы формирования безопасного уровня жизнедеятельности учащихся в условиях цифровой образовательной среды, а также обосновывают необходимость практического внедрения системы профилактических мероприятий, направленных на снижение неблагоприятного влияния электронных средств обучения, важность скрининга донозологической диагностики и использования здоровьесберегающих технологий повышения резервных возможностей организма учащихся.

Заключение

1. Учащиеся инновационных образовательных организаций работают с электронными средствами обучения от 28,1% общего времени учебной нагрузки в неделю в начальной школе до 54,1% в старшем звене; тратят на это в сутки 5,27 ч в начальной школе, 7,41 ч в средней и 11,5 ч в старшем звене обучения.

2. В зависимости от длительности взаимодействия учащихся с электронными средствами обучения установлена ответная реакция организма в виде развития неустойчивости нервной реакции, изменения типа регуляции сердечного ритма с преобладанием симпатической регуляции на фоне снижения активности автономного контура, напряжения работы регуляторных систем и истощения функциональных резервов, которые имели наиболее выраженный характер у старшеклассников, длительно работающих с ЭСО.

3. При работе с электронными средствами обучения наибольший уровень стресса выявлен у старшеклассников, причём у девушек он был в 1,3 раза выше по сравнению с юношами, что приводило к нарастанию уровня тревожности и негативных эмоциональных переживаний как в учебной, так и в повседневной деятельности, а также к развитию интернет-зависимости у 2,7% учащихся и склонности к интернет-зависимости – у 22,7% учащихся.

4. Полученные данные об особенностях изменения психофизиологического статуса учащихся в зависимости от возраста, ступени обучения (учебной нагрузки) и времени работы с электронными средствами являются фундаментом для разработки профилактических мероприятий по снижению риска воздействия электронных средств и коррекции изменений функционирования основных систем организма, что позволяет повысить эффективность профилактики развития школьно-обусловленных болезней.